JP4900618B2 - Imaging element, display device - Google Patents

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Description

本発明は、マイクロミラーによる鏡面反射を利用した光学素子において、被投影物に対して素子反対面の空中に実像を結像させる結像素子、及びこのような結像素子を備えたディスプレイ装置に関するものである。   The present invention relates to an imaging element that forms a real image in the air on the surface opposite to the projection object in an optical element using specular reflection by a micromirror, and a display apparatus including such an imaging element. Is.

従来より、3次元又は2次元の物体又は映像などを空間的に移動した位置に実像として結像するために使用される光学素子として、例えば凸レンズあるいは凹面鏡を用いた態様が知られている。しかしながら、適切な視野角を確保するという要請に応えるためには、巾寸法の大きな光学素子が必要であり、一方で、収差等の問題により短焦点距離の光学素子を用いることが困難であるため、光学系の奥行き寸法も長くなり、光学素子を利用したデバイスの巨大化、ひいては光学素子を適用したディスプレイ装置自体の大型化を招来するという問題があった。また、デバイスを大型化したとしても収差を完全に消すことは困難であり、視点を変化させると実像の空間的な位置は変化してしまい、3次元物体に対する像は歪んでしまう。   2. Description of the Related Art Conventionally, an aspect using, for example, a convex lens or a concave mirror is known as an optical element used to form a three-dimensional or two-dimensional object or image as a real image at a spatially moved position. However, in order to meet the demand for ensuring an appropriate viewing angle, an optical element with a large width is required, and on the other hand, it is difficult to use an optical element with a short focal length due to aberrations and other problems. However, the depth dimension of the optical system also becomes long, and there is a problem that the device using the optical element becomes enormous, and consequently the display device itself using the optical element increases in size. Further, even if the device is enlarged, it is difficult to completely eliminate the aberration. When the viewpoint is changed, the spatial position of the real image changes and the image with respect to the three-dimensional object is distorted.

このような問題点を解決すべく、近時マイクロレンズアレイを利用した空中映像の表示装置が開発されている(例えば特許文献1参照)。これは、2次元像に対する正立等倍の結像系を利用したものであり、2次元像を表示する表示面と同じ大きさの光学デバイスによって、歪み無しに2次元像の空間的な平行移動を可能とするものである。このようなものであれば、通常のレンズに比較して光学デバイスの小型化及び薄型化を図ることができ、ディスプレイ装置のコンパクト化にも資する。ただし、これでは3次元物体の実像を得ることはできない。   In order to solve such problems, an aerial video display device using a microlens array has recently been developed (see, for example, Patent Document 1). This utilizes an erecting equal-magnification imaging system for a two-dimensional image, and the spatial parallelism of the two-dimensional image without distortion by an optical device having the same size as the display surface for displaying the two-dimensional image. It is possible to move. If it is such, compared with a normal lens, size reduction and thickness reduction of an optical device can be achieved, and it contributes also to compactization of a display apparatus. However, this cannot obtain a real image of a three-dimensional object.

そこで、上記システムに利用されている正立等倍の結像光学素子に対して、それを構成する個々の光学系を焦点距離が無限大のアフォーカル光学系とした光学素子が提案されている(例えば特許文献2参照)。この光学素子は、被投影物の鏡映像を実像として結像させることが可能であり、レンズによる光の屈折作用をその基本原理として用いていることより、以下、この光学素子を屈折型実鏡映像結像素子と呼ぶものとする。なお鏡映像を結像するということは、3次元物体の実像を歪み無しに結像可能であることを意味する。この屈折型実鏡映像結像素子は、第1レンズ要素と第2レンズ要素のそれぞれの焦点距離を隔てて同一光学軸上に配置してアフォーカル光学系とし、当該アフォーカル光学系の入射レンズ面及び出射レンズ面をそれぞれアレー状に同一平面上として配置した光学部としたものであり、第1レンズ要素及び第2レンズ要素の組み合わせとしては、2つの凸レンズとしたもの、2つの光ファイバレンズとしたもの、等が提案されている。
特開2005−234240号公報 特開2005−010755号公報
Therefore, an optical element has been proposed in which each optical system constituting the erecting equal-magnification imaging optical element used in the above system is an afocal optical system with an infinite focal length. (For example, refer to Patent Document 2). This optical element is capable of forming a mirror image of a projection object as a real image, and uses the refractive action of light by a lens as its basic principle. It shall be called a video imaging element. Note that forming a mirror image means that a real image of a three-dimensional object can be formed without distortion. The refractive real mirror image forming element is arranged on the same optical axis with the focal lengths of the first lens element and the second lens element being spaced apart from each other to form an afocal optical system, and an incident lens of the afocal optical system The surface and the exit lens surface are arranged in the same plane in an array, and the combination of the first lens element and the second lens element is two convex lenses, and two optical fiber lenses. Have been proposed.
JP-A-2005-234240 Japanese Patent Laying-Open No. 2005-010755

ところで、レンズによる屈折を利用した屈折型実鏡映像結像素子の場合、高精度のマイクロレンズを精度良く並べる又は組み付ける必要があるため、構造の複雑化及びコストの増加を招来するという不具合が生じる。また、レンズ作用によって光学素子内で少なくとも一度焦点を結ぶ必要があるため、素子の厚さをそれほど薄くすることができない。また、光の屈折作用を利用するものであるため、素子面に対してほぼ垂直方向からしか観察できず、素子面に対して斜め方向から大きな角度を付けて像を観察することが困難であるという問題がある。   By the way, in the case of a refraction type real mirror image forming element using refraction by a lens, it is necessary to arrange or assemble high-precision microlenses with high accuracy, resulting in a problem that the structure is complicated and the cost is increased. . Further, since it is necessary to focus at least once in the optical element by the lens action, the thickness of the element cannot be reduced so much. Further, since it uses the refraction of light, it can be observed only from a direction substantially perpendicular to the element surface, and it is difficult to observe an image with a large angle from an oblique direction to the element surface. There is a problem.

本発明は、このような課題に着目してなされたものであって、主たる目的は、反射作用を持つ鏡面を利用することで、構造の単純化及びコストの削減を図ることができるとともに、非常に薄く作成することができ、また素子面に対して角度を付けて観察することも可能な光学素子であるマイクロミラーを利用した結像素子、及びこのような結像素子を備えたディスプレイ装置を提供することにある。   The present invention has been made paying attention to such problems. The main purpose of the present invention is to simplify the structure and reduce the cost by using a mirror surface having a reflecting action. An imaging element using a micromirror, which is an optical element that can be made thin and can be observed at an angle to the element surface, and a display device including such an imaging element It is to provide.

すなわち、本発明に係る結像素子は、1つの平面を構成する素子面を光が透過する際に光線の屈曲を生じさせる光学素子であって、前記素子面に垂直もしくはそれに近い角度で配置された相互に垂直となる2つの鏡面による光の反射を行う2面コーナーリフレクタとして機能する単位光学素子を複数配置し、素子面を挟んで一方側の空間における任意の位置に配置された被投影物から発した前記光線が前記各単位光学素子を通過するに、各単位光学素子におけるそれぞれ2つの鏡面において1回ずつ合計2回反射することによって前記素子面に対して前記被投影物の面対称位置に前記被投影物の像を結像するように構成し、前記素子面に対して斜め方向の角度を付けた視点から前記2回反射による像を観察し得るようにしたことを特徴とする。 In other words, the imaging element according to the present invention is an optical element that causes bending of a light beam when light passes through an element surface constituting one plane, and is disposed at an angle perpendicular to or close to the element surface. A plurality of unit optical elements that function as two-surface corner reflectors that reflect light by two mirror surfaces that are perpendicular to each other, and a projection object that is disposed at an arbitrary position in one space across the element surface surface of the object to be projected with respect to the element surface by the light beam emitted from the when passing through the respective unit optical elements, once in each of the two mirror in each unit optical element, reflects a total of two and characterized in that the symmetrical position is configured to form an image of the object to be projected, and from the perspective angled in an oblique direction with respect to the element surface adapted to observe the image formed by the two reflection That.

このようなものであれば、単位光学素子を構成する鏡面の数と配置とを適切に設定することで、光が素子面を透過する際に、複数の単位光学素子における各鏡面で反射することによって、素子面を挟んで一方の空間に配置された物体や映像を反対側の空間に実像として結像させることができる。そのため、複数の高精度マイクロレンズを必要とする従来の光学素子と比較して、平面構造の鏡面により作られるため、構造の単純化及びコストの削減、薄型化ができ、種々の使用態様にも柔軟に対応することができる。また、鏡面を素子面に対してほぼ垂直に設けていることから、素子面において光線を急角度で屈曲させることができるため、結像した実像を素子面に対して斜めに角度を付けて観察することが可能となる。そのため素子面の一方の空間に配置した物体や映した映像からなる被投影物を、反対側において素子面から起立した立像として観察することができる。また、この鏡面は、素子面に対してちょうど垂直に設けるか、或いは概ね垂直と見なせる前後数度の角度範囲で設ければよい。この結像素子を介して結像した3次元像又は2次元像の実像は、空中に結像しているため手指等で触れる又はポインティングする行為が可能となり、しかも素子面に対して斜めからの観察ができるため、平面上に浮遊する空中像としてこれまでにない斬新な像の観察方法を提供できることとなる。ただし、3次元像の実像については、奥行きが反転した逆視像となる。そのため、実物についてはこの結像素子を2回透過させる、合成された3次元像についてはあらかじめ奥行きを反転しておく等の対策が必要となる。   In such a case, by appropriately setting the number and arrangement of mirror surfaces constituting the unit optical element, when the light passes through the element surface, it is reflected by each mirror surface in the plurality of unit optical elements. Thus, an object or an image arranged in one space across the element surface can be imaged as a real image in the opposite space. Therefore, compared to conventional optical elements that require a plurality of high-precision microlenses, it is made with a mirror surface with a planar structure, so the structure can be simplified, the cost can be reduced, and the thickness can be reduced. It can respond flexibly. In addition, since the mirror surface is provided substantially perpendicular to the element surface, the light beam can be bent at a steep angle on the element surface, so that the formed real image is observed at an angle to the element surface. It becomes possible to do. Therefore, an object arranged in one space on the element surface or a projection object composed of a projected image can be observed as a standing image standing on the element surface on the opposite side. Further, the mirror surface may be provided just perpendicular to the element surface, or provided in an angular range of several degrees before and after it can be regarded as being substantially vertical. Since the three-dimensional image or the real image of the two-dimensional image formed through the imaging element is formed in the air, it can be touched or pointed with a finger or the like, and it can be viewed obliquely with respect to the element surface. Since observation is possible, it is possible to provide a novel image observation method that has never existed as an aerial image floating on a plane. However, the real image of the three-dimensional image is a reverse view image with the depth reversed. For this reason, it is necessary to take measures such that the real object is transmitted twice through the imaging element, and the synthesized three-dimensional image is inverted in depth.

結像素子として、実像を得るための簡易な構造にして好ましい単位光学素子の構成は、2つの鏡面を備えたものであり、単位光学素子を透過する光がそれら2つの鏡面で1回ずつ反射して素子面の反対側で結像するようにするためには、単位光学素子を構成する鏡面2枚を相互に直交させて2面コーナーリフレクタとして機能させることとなり、鏡映像の実像の結像を行うことができる反射型実鏡映像結像素子となる。 The preferred configuration of the unit optical element with a simple structure for obtaining a real image as the imaging element is provided with two mirror surfaces, and light transmitted through the unit optical element is reflected once by the two mirror surfaces. and in order to form an image on the opposite side of the element surface is, the two mirror surfaces constituting the unit optical element are perpendicular to each other will be made to function as dihedral corner reflector, imaging of the real image of the specular image It becomes a reflection type real mirror image formation element which can perform.

また、単位光学素子の配置に関しては、前述の2面コーナーリフレクタを、素子面上において複数方向を向けて配置しても、素子面内方向においては光は再帰反射するので、2面コーナーリフレクタの向きとは無関係に同一位置で結像する。一方、直交していないが平行ではない2つの鏡面を持つ単位光学素子を利用した場合、全ての単位光学素子において2つの鏡面同士のなす角が等しい機能的に同一な単位光学素子を用いた場合には、2面コーナーリフレクタと同様に複数方向を向けて配置しても、向きと結像位置とは無関係となる。平行ではない2つの鏡面を持つ単位光学素子においては、2回反射以外にも、1回反射の透過光、無反射の透過光などが存在し、2回反射の透過光による結像の邪魔となる。このうち、無反射の透過光は素子面に対してほぼ垂直方向へと透過するため、角度を持って透過する2回反射光とは直接干渉する可能性は少ない。一方、1回反射光はある程度の角度を持って透過・結像するため、干渉する可能性が高い。この問題に対しては、前記単位光学素子の配置の際に、素子面と直交する軸周りに任意の回転方向で配置することで、1回反射による結像を避けることができ、その影響を軽減することができる。また、個々の単位光学素子が異なる方向を向く場合、それらの合成によって視野角を広げる効果ももたらすが、一方では製造が困難になるとともに光の結像素子透過率が減少するため、これらが問題となる場合には、全ての単位光学素子を同一方向を向けて配置するのがよい。 Further, regarding the arrangement of the unit optical element, even if the above-described two-surface corner reflector is arranged in a plurality of directions on the element surface, the light is retroreflected in the element surface direction. The image is formed at the same position regardless of the direction. On the other hand , when unit optical elements having two mirror surfaces that are not orthogonal but not parallel are used, functionally identical unit optical elements in which the angles formed by the two mirror surfaces are equal in all unit optical elements In the same manner as in the case of the two-surface corner reflector, the orientation and the imaging position are irrelevant even if they are arranged in a plurality of directions. In the unit optical element having two mirror surfaces that are not parallel, there are transmitted light of one reflection and non-reflected transmission light in addition to the reflection of two times. Become. Of these, the non-reflected transmitted light is transmitted in a direction substantially perpendicular to the element surface, so there is little possibility of direct interference with the twice reflected light transmitted at an angle. On the other hand, since the once reflected light is transmitted and imaged at a certain angle, there is a high possibility of interference. To solve this problem, when the unit optical element is arranged, it is possible to avoid image formation due to a single reflection by arranging the unit optical element in an arbitrary rotation direction around an axis orthogonal to the element surface. Can be reduced. In addition, when the individual unit optical elements are directed in different directions, the effect of widening the viewing angle by combining them is also brought about, but on the other hand, it becomes difficult to manufacture and the transmittance of the imaging element of the light is reduced. In such a case, it is preferable to arrange all unit optical elements in the same direction.

光線を単位光学素子において適切に屈曲させつつ素子面を透過させるには、単位光学素子を、素子面を貫通する方向に想定される光学的な穴の内壁を鏡面として利用するものと考えればよい。ただし、このような単位光学素子は、概念的な物であり、必ずしも物理的な境界などにより決定される形状を反映している必要は無く、例えば前記光学的な穴は相互に独立させることなく連結させたものとすることができる。   In order to transmit light through the element surface while appropriately bending the light beam in the unit optical element, the unit optical element may be considered to use the inner wall of an optical hole assumed in the direction penetrating the element surface as a mirror surface. . However, such a unit optical element is a conceptual object and does not necessarily reflect a shape determined by a physical boundary or the like. For example, the optical holes are not independent of each other. It can be connected.

光学素子の構造を単純に述べれば、素子面にほぼ垂直な鏡面を素子面に多数並べたものである。構造として問題となるのは、この鏡面をどのように素子面に支持固定するかということになる。鏡面形成のより具体的な方法としては、例えば本発明の結像素子を、所定の空間を区画する基盤を具備するものとして、当該基盤を通る1つの平面を素子面としてとして規定し、単位光学素子を、素子面を貫通する方向に想定される光学的な穴として、基盤に形成された穴の内壁を鏡面として利用するものとすることができる。この基盤に形成された穴は、光が透過するように透明でありさえすればよく、例えば内部が真空もしくは透明な気体もしくは液体で満たしたものでもよい。また穴の形状についても、その内壁に単位光学素子として働くための1枚もしくは複数の同一平面に含まれない鏡面を具備し、かつ鏡面で反射した光が穴を透過できる限り、任意の形状を取ることが可能であり、各穴が連結していたり、一部が欠損している複雑な形状であってもよい。例えば、基盤の表面に個々の独立した鏡面が林立する態様などは、基盤に形成された穴が連結しているものと理解できる。   If the structure of the optical element is simply described, a large number of mirror surfaces substantially perpendicular to the element surface are arranged on the element surface. The problem as a structure is how to support and fix the mirror surface to the element surface. As a more specific method of forming a mirror surface, for example, the imaging element of the present invention is provided with a base that partitions a predetermined space, and a single plane passing through the base is defined as an element surface. The element can be used as an optical hole assumed in the direction penetrating the element surface, and the inner wall of the hole formed in the substrate can be used as a mirror surface. The hole formed in the substrate only needs to be transparent so that light can pass through, and may be, for example, a vacuum filled with a transparent gas or liquid. Also, the shape of the hole may be any shape as long as the inner wall has one or more mirror surfaces not acting on the same plane for acting as a unit optical element, and the light reflected by the mirror surface can pass through the holes. It is possible to take a complicated shape in which each hole is connected or a part of the hole is missing. For example, an aspect in which individual mirror surfaces stand on the surface of the base can be understood as connecting holes formed in the base.

あるいは単位光学素子は、光学的な穴として、透明なガラスや樹脂のような固体によって形成された筒状体を利用するものであってもよい。なお、固体によって個々の筒状体が形成されている場合、これらの筒状体は、相互に密着させて素子の支持部材として働かせてもよく、基盤を具備するものとして当該基盤の表面から突出した態様をとってもよい。また筒状体の形状についても、その内壁に単位光学素子として働くための1枚もしくは複数の同一平面に含まれない鏡面を具備し、かつ鏡面で反射した光が筒状体を透過できる限り、任意の形状を取ることが可能であり、筒状体と称してはいるが各筒状体が連結していたり、一部が欠損している複雑な形状であってもよい。   Or a unit optical element may utilize the cylindrical body formed with solids, such as transparent glass and resin, as an optical hole. In addition, when each cylindrical body is formed of solid, these cylindrical bodies may be brought into close contact with each other and serve as a support member for the element, and project from the surface of the base as having a base. You may take the aspect which did. As for the shape of the cylindrical body, as long as the inner wall has a mirror surface not included in one or a plurality of coplanar surfaces to serve as a unit optical element, and the light reflected by the mirror surface can pass through the cylindrical body, Although it is possible to take an arbitrary shape, it may be a complicated shape in which each cylindrical body is connected or partially missing although it is referred to as a cylindrical body.

ここで、前記光学的な穴として、立方体もしくは直方体のように隣接する内壁面が全て直交する形状を考えることができる。この場合、単位光学素子相互の間隔を最小化することができ、高密度な配置が可能となる。また、全ての内壁面を鏡面とすると、4組の異なる方向を向く2面コーナーリフレクタを1つの穴に構成することが可能となり、様々な方向から観察可能な結像素子を構成することができる。ただし、平行で対向する鏡面の存在により、望まない多重反射が起こる可能性が高まることになる。   Here, as the optical hole, a shape in which the adjacent inner wall surfaces are all orthogonal, such as a cube or a rectangular parallelepiped, can be considered. In this case, the interval between the unit optical elements can be minimized, and a high-density arrangement is possible. Further, if all the inner wall surfaces are mirror surfaces, four sets of two-surface corner reflectors facing different directions can be formed in one hole, and an imaging element that can be observed from various directions can be configured. . However, the presence of parallel and opposing mirror surfaces increases the possibility of unwanted multiple reflections.

単位光学素子内に複数の鏡面が存在する場合には、想定された回数以上の反射を起こす多重反射の透過光が存在する可能性がある。この多重反射対策として、光学的な穴の内壁に相互に直交する2つの鏡面を形成する場合は、これら2鏡面以外の面を、非鏡面として光が反射しないようにしたり、素子面に対して垂直とならないように角度を付けて設けたり曲面としたりすることで、3回以上の反射を起こす多重反射光を軽減もしくは除去できる。非鏡面とするには、その面を反射防止用の塗料や薄膜で覆う構成や、面粗さを粗くして乱反射を生じさせる構成を採用することができる。   When there are a plurality of mirror surfaces in the unit optical element, there is a possibility that there is multiple reflected transmitted light that causes reflection more than the expected number of times. As a countermeasure against this multiple reflection, when two mirror surfaces orthogonal to each other are formed on the inner wall of the optical hole, the surfaces other than these two mirror surfaces are made non-mirror surfaces so that light is not reflected, By providing an angle or providing a curved surface so as not to be vertical, it is possible to reduce or eliminate multiple reflected light that causes three or more reflections. In order to obtain a non-mirror surface, it is possible to employ a configuration in which the surface is covered with an antireflection coating or a thin film, or a configuration in which the surface roughness is roughened to cause irregular reflection.

なお、透明で平坦な基盤の存在は光学素子の働きを阻害するものではないので、基盤を任意に支持部材・保護部材として用いることが可能である。   In addition, since the presence of a transparent and flat substrate does not hinder the function of the optical element, the substrate can be arbitrarily used as a support member / protective member.

さらに、被投影物の像の高精細化を図るには、複数の単位光学素子を、前記素子面上においてできるだけ間隔を空けずに配置することが望ましく、例えば格子状に配置することが有効である。またこの場合、製造も容易になるという利点がある。   Furthermore, in order to increase the definition of the image of the projection object, it is desirable to arrange the plurality of unit optical elements with as little spacing as possible on the element surface. For example, it is effective to arrange them in a grid pattern. is there. Further, in this case, there is an advantage that manufacture is also facilitated.

単位光学素子における鏡面としては、固体であるか液体であるかに関わらず金属や樹脂等の光沢のある物質によって形成された平坦面で反射するもの、あるいは異なる屈折率を持つ透明媒質同士の平坦な境界面において反射もしくは全反射するものなどを利用することができる。また、鏡面を全反射によって構成した場合には、複数の鏡面による望まない多重反射は、全反射の臨界角を超える可能性が高くなることから、自然に抑制されることが期待できる。   As a mirror surface in the unit optical element, it is reflected by a flat surface formed of a glossy substance such as a metal or a resin regardless of whether it is solid or liquid, or flat between transparent media having different refractive indexes. It is possible to use a material that reflects or totally reflects on the boundary surface. Further, when the mirror surface is configured by total reflection, undesired multiple reflection by a plurality of mirror surfaces is likely to exceed the critical angle of total reflection, so that it can be expected to be naturally suppressed.

また鏡面は、機能的に問題ない限り、光学的な穴の内壁のごく一部分に形成されていてもよく、平行に配置される複数の単位鏡面により構成されても構わない。後者の態様を換言すれば、1つの鏡面が複数の単位鏡面に分割されても構わないことを意味する。またこの場合、各単位鏡面は、必ずしも同一平面に存在していなくてもよく、それぞれが平行であればよい。さらに、各単位鏡面は、当接している態様、離れている態様のいずれもが許容される。なお、本発明の結像素子を反射型実鏡映像結像素子として構成する場合には、直交する2鏡面による2面コーナーリフレクタを必要とするため、1つの単位光学素子には、直交する2つの鏡面が形成されなければならない。この直交する2つの鏡面同士についても、必ずしも接触している必要はなく、光が素子面の一方側から他方側へと透過する際に2つの鏡面で1回ずつ反射すればよいので、2つの鏡面同士が当接している態様、離れている態様のいずれもが許容される。   The mirror surface may be formed on a very small part of the inner wall of the optical hole as long as there is no functional problem, or may be constituted by a plurality of unit mirror surfaces arranged in parallel. In other words, the latter aspect means that one mirror surface may be divided into a plurality of unit mirror surfaces. In this case, the unit mirror surfaces do not necessarily have to be on the same plane as long as they are parallel to each other. Further, each unit mirror surface is allowed to be either in contact with or apart from each other. When the imaging element of the present invention is configured as a reflective real mirror image imaging element, a two-surface corner reflector with two orthogonal mirror surfaces is required. Two mirror surfaces must be formed. The two mirror surfaces that are orthogonal to each other are not necessarily in contact with each other. When light is transmitted from one side of the element surface to the other side, it is only necessary to reflect each of the two mirror surfaces once. Either a mode in which the mirror surfaces are in contact with each other or a mode in which they are separated is allowed.

以上のような結像素子は、素子面を挟んで一方に配置される物体又は表示装置の映写された映像からなる被投影物を当該素子面の反対方向に実像として結像させるものとしての利用が可能である。ここで、「素子面の反対方向」とは、素子面に対して面対称な位置も、面対称ではない位置も含まれる趣旨である。特に、被投影物を素子面に対して反対側の面対称位置に結像させる態様は、単位光学素子が2面コーナーリフレクタを備える場合に実現され、2面コーナーリフレクタを構成する2つの鏡面を素子面に対して垂直から傾けた場合には、その結像点は面対称位置からずれることになる。   The imaging element as described above is used as an object that forms an object as a real image in the opposite direction of the element surface, which is an object arranged on one side of the element surface or a projected image of a display device. Is possible. Here, “the direction opposite to the element surface” is intended to include a position that is plane-symmetric with respect to the element surface and a position that is not plane-symmetric. In particular, an aspect in which the projection target is imaged at a plane-symmetrical position opposite to the element surface is realized when the unit optical element includes a two-surface corner reflector, and two mirror surfaces constituting the two-surface corner reflector are formed. When tilted from the perpendicular to the element surface, the image forming point shifts from the plane symmetry position.

また、本発明に係るディスプレイ装置は、上述した結像素子を具備する本体部と、当該本体部の裏面側における任意の位置に配される被投影物とを備え、前記被投影物から発せられる光を前記結像素子を透過させることで、前記本体部の表面側の空間に前記被投影物の実像を結像させて投影するように構成していることを特徴とする。ここで、被投影物には、物体や、スクリーンやディスプレイ等の映像表示装置に表示される映像が含まれる。特に、被投影物の素子面に対する面対称位置への実像の結像及び投影には、結像素子が上述した2面コーナーリフレクタを備える場合に好適に実現することができる。 The display device according to the present invention includes a main body portion comprising an imaging element described above, the object to be projected which is arranged at any position definitive on the back side of the main body portion, emitted from the object to be projected The light to be transmitted is transmitted through the imaging element so that a real image of the projection object is formed and projected in a space on the surface side of the main body. Here, the projection object includes an object and an image displayed on an image display device such as a screen or a display. In particular, the formation and projection of a real image onto a plane-symmetric position with respect to the element surface of the projection object can be suitably realized when the imaging element includes the above-described two-plane corner reflector.

このようなディスプレイ装置であれば、上述した結像素子が奏する作用効果を得ることができ、新規で有用なディスプレイ装置となる。例えばデスクの天板を、前述した結像素子を具備する本体部として、天板下の空間に、被投影物として物体又は映像表示装置を配置したり映像を映写したりすることで、結像素子を経て天板上の空中に被投影物の像を映し出すことができるようになる。また、壁、床、天井等の建築構造物や間仕切り、衝立(ついたて)、カーテン、スクリーン等の備品を結像素子を具備する本体部として、その裏側の空間に被投影物である物体を配置したり映像を映写したりすることで、壁や間仕切り等から空中に飛び出す映像を見せることも可能である。また、被投影物として任意の物を用いることができるため、実体物を結像素子の背面で動かすことで、映像表示装置を用いなくとも動きのある空中像を生み出すことも可能であり、さらに被投影物が立体物であっても、視線方向の奥行きが反転するものの歪み無に結像させることができる。奥行き反転に対しては、3次元物体又は3次元映像をあらかじめ奥行き反転させることで、奥行きが正常な空中像を表示させることもできる。   With such a display device, it is possible to obtain the function and effect produced by the above-described imaging element, and it becomes a new and useful display device. For example, a desk top plate is used as a main body having the above-described imaging element, and an object or video display device is arranged as a projection object or an image is projected in a space under the top plate, thereby forming an imaging element. An image of the projection object can be projected in the air on the top board through the child. In addition, a building structure such as a wall, floor, or ceiling, partitions, screens, curtains, screens, and other fixtures are used as the main body with imaging elements, and the object that is the projection object is placed in the space behind it. It is also possible to show an image that jumps out into the air from a wall or partition by projecting or projecting the image. In addition, since any object can be used as the projection object, it is possible to generate a moving aerial image without using a video display device by moving the entity behind the imaging element. Even if the projection object is a three-dimensional object, an image can be formed without distortion although the depth in the line-of-sight direction is reversed. For depth reversal, an aerial image with a normal depth can be displayed by reversing the depth of a 3D object or 3D image in advance.

以上説明したように本発明によれば、構造の単純化及びコストの削減、薄型化を図りつつ、3次元又は2次元の物体又は映像の何れをも3次元像又は2次元像の実像として空中に結像させ、素子面に対して斜め方向から角度を付けて観察することが可能である。   As described above, according to the present invention, while simplifying the structure, reducing the cost, and reducing the thickness, any three-dimensional or two-dimensional object or image is aerial as a real image of a three-dimensional image or a two-dimensional image. It is possible to form an image on the element surface and observe the element surface at an angle from an oblique direction.

本発明の結像素子の一実施形態に係る反射型実鏡映像結像素子を概略的に示す斜視図。1 is a perspective view schematically showing a reflective real mirror image forming element according to an embodiment of an image forming element of the present invention. FIG. 同実施形態の反射型実鏡映像結像素子を概略的に示す平面図。FIG. 3 is a plan view schematically showing a reflective real mirror image forming element of the embodiment. 図1のA部分拡大図。The A partial enlarged view of FIG. 同A部の拡大斜視図。The expansion perspective view of the A section. 同反射型実鏡映像結像素子の結像様式を模式的に示す図。The figure which shows typically the image formation style of the reflection type real mirror image formation element. 同実施形態に係る反射型実鏡映像結像素子を備えたディスプレイ装置を模式的に示す図。The figure which shows typically the display apparatus provided with the reflection type real mirror image formation element based on the embodiment. 同ディスプレイ装置により被投影物として立体物を適用して結像させた状態を模式的に示す図。The figure which shows typically the state imaged by applying a solid object as a to-be-projected object by the display apparatus. 同実施形態の一変形例に係る反射型実鏡映像結像素子を図2に対応させて示す斜視図。The perspective view which shows the reflection type real mirror image formation element which concerns on the one modification of the embodiment corresponding to FIG.

以下、本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。
本実施形態に係る結像素子Xは、図1〜図4に示すように、基盤1に、厚み方向に貫通し且つ直交する2つの内壁面である第1内壁面、及び第2内壁面を鏡面21,22にした単位光学素子2を複数設け、反射型実鏡映像結像素子としての機能を持たせたものである。以下、必要に応じてこの反射型実鏡映像結像素子について符号Xを付して説明するものとする。すなわち、この反射型実鏡映像結像素子Xは、図1に示すとおり、基盤1の肉厚の中央部をこの基盤1の表面と並行に通る面を素子面Sとして、この素子面Sの一方側(図示例では基盤1の裏面側)の空間に配置される被投影物Oの実像が、素子面Sの他方側(図示例では基盤1の表面側)の空間における当該素子面Sに対する面対称位置に、鏡映像Pとして結像するという作用を有している。ここで、本実施形態では、単位光学素子2として、直交する2つの鏡面21,22により2面コーナーリフレクタ20を有するものを採用している。図1においては、鏡面21,22が基盤1と比較して微細であるため、単位光学素子2の集合全体をグレーで表し、2面コーナーリフレクタ20の内角の向きをV字形状で表している。
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
As shown in FIGS. 1 to 4, the imaging element X according to the present embodiment includes a first inner wall surface and a second inner wall surface, which are two inner wall surfaces penetrating in the thickness direction and orthogonal to the base 1. A plurality of unit optical elements 2 having mirror surfaces 21 and 22 are provided to have a function as a reflection type real mirror image forming element. Hereinafter, the reflection type real mirror image forming element will be described with reference numeral X as necessary. That is, as shown in FIG. 1, the reflection type real mirror image forming element X has a surface passing through the central portion of the thickness of the substrate 1 in parallel with the surface of the substrate 1 as an element surface S. The real image of the projection object O arranged in the space on one side (in the illustrated example, the back surface side of the substrate 1) corresponds to the element surface S in the space on the other side of the element surface S (in the illustrated example, the surface side of the substrate 1). It has the effect of forming an image as a mirror image P at a plane symmetry position. Here, in the present embodiment, the unit optical element 2 having a two-surface corner reflector 20 by two orthogonal mirror surfaces 21 and 22 is employed. In FIG. 1, since the mirror surfaces 21 and 22 are finer than the base 1, the entire set of unit optical elements 2 is expressed in gray, and the direction of the inner angle of the two-surface corner reflector 20 is expressed in a V shape. .

各単位光学素子2は、光が透過する物理的かつ光学的な穴である。なお、この穴は基盤1に対して微細であるため、図2〜図4では、穴を拡大誇張して示している。本実施形態では、単位光学素子2として、平面視略矩形状(具体的には正方形状)の穴を適用し、相互に直交する第1内壁面及び第2内壁面に鏡面処理を施し、これら第1内壁面及び第2内壁面を反射面である鏡面21,22として機能させて、2面コーナーリフレクタ20を構成している。第3内壁面23及び第4内壁面24にも鏡面処理を施した場合には、4つの2面コーナーリフレクタが形成され、複数の方向から実像を観察できるが、多重反射による迷光も発生することになる。この迷光を防ぐにはこれら第3内壁面23及び第4内壁面24を反射不能な面とするか、あるいは第3内壁面23及び第4内壁面24を素子面Sに対して直角以外の角度をもたせて形成し、第1内壁面及び第2内壁面の鏡面21,22と平行とならないようにしてもよい。   Each unit optical element 2 is a physical and optical hole through which light passes. In addition, since this hole is fine with respect to the base | substrate 1, in FIGS. 2-4, the hole is expanded and exaggerated and shown. In this embodiment, a hole having a substantially rectangular shape (specifically, a square shape) in plan view is applied as the unit optical element 2, and the first inner wall surface and the second inner wall surface that are orthogonal to each other are mirror-finished. The two-sided corner reflector 20 is configured by causing the first inner wall surface and the second inner wall surface to function as mirror surfaces 21 and 22 which are reflecting surfaces. When the third inner wall surface 23 and the fourth inner wall surface 24 are also mirror-finished, four two-sided corner reflectors are formed, and a real image can be observed from a plurality of directions, but stray light due to multiple reflection also occurs. become. In order to prevent this stray light, the third inner wall surface 23 and the fourth inner wall surface 24 are made non-reflective surfaces, or the third inner wall surface 23 and the fourth inner wall surface 24 are at angles other than perpendicular to the element surface S. May be formed so as not to be parallel to the mirror surfaces 21 and 22 of the first inner wall surface and the second inner wall surface.

本実施形態では、矩形状の基盤1の辺方向からの観察を行うために、各単位光学素子2の縦横に延びる各辺を、基盤1の巾方向又は奥行き方向に対して45度傾斜させるとともに、製造を簡便にするために任意の異なる2つの単位光学素子2同士は相互に平行をなすようにしている。すなわち、全ての単位光学素子2において2面コーナーリフレクタ20を構成する2つの鏡面21,22がなす内角が同一の方向を向くように、基盤1に単位光学素子2を形成している。ただし、理想的には、平行ではなく様々(ランダム)な角度をつけたほうがよい。角度をつけることによって、(1)1回反射光が結像せずに拡散する、(2)2回反射光の横方向視野角が広がり、透過率の視野角に対するピークが平坦になるからである。なお、隣り合う単位光学素子2同士の離間寸法を極力小さく設定している。そして、前記基盤1のうち、単位光学素子2を形成した部分以外の部位に、遮光処理を施している。また基盤1の上面及び下面に図示しない薄板状をなす透明な補強材を設けることができる。なお、この板材によって各単位光学素子2が光学的に蓋封されないようにしていることはいうまでもない。本実施形態では、一例として5cm角の基盤1に、このような単位光学素子2を、数万ないし数十万個設けている。   In this embodiment, in order to perform observation from the side direction of the rectangular base 1, each side extending in the vertical and horizontal directions of each unit optical element 2 is inclined 45 degrees with respect to the width direction or depth direction of the base 1. In order to simplify the production, any two different unit optical elements 2 are made parallel to each other. That is, the unit optical elements 2 are formed on the base 1 so that the internal angles formed by the two mirror surfaces 21 and 22 constituting the dihedral corner reflector 20 in all the unit optical elements 2 face the same direction. However, ideally, it is better to have various (random) angles rather than parallel. By setting the angle, (1) the reflected light is diffused without forming an image, and (2) the lateral viewing angle of the reflected light is widened, and the peak of the transmittance with respect to the viewing angle becomes flat. is there. Note that the distance between adjacent unit optical elements 2 is set as small as possible. A portion of the base 1 other than the portion where the unit optical element 2 is formed is subjected to a light shielding process. Moreover, a transparent reinforcing material having a thin plate shape (not shown) can be provided on the upper surface and the lower surface of the substrate 1. It goes without saying that each unit optical element 2 is not optically sealed with this plate material. In the present embodiment, for example, tens of thousands to hundreds of thousands of such unit optical elements 2 are provided on a 5 cm square substrate 1.

このようにして基盤1に形成される単位光学素子2は、基盤1の表面側(又は裏面側)から単位光学素子2を構成する穴に入った光を一方の鏡面(21又は22)で反射させ、さらにその反射光を他方の鏡面(22又は21)で反射させて基盤1の裏面側(又は表面側)へと通過させる機能を有する。この光の経路を素子面Sに投影したものが図5である。2面コーナーリフレクタ20による光の2回反射は、素子面S内においては再帰反射となり、入射経路と出射経路は逆方向を向いて平行となる。また、素子面Sに対して垂直な光の成分はなんら変換を受けないことから、点光源Oから発せられた光は、ほぼ素子面Sに対して面対称な位置を通過していくことが分かる。平行となる入射経路と出射経路の素子面S内での距離は、2面コーナーリフレクタ20の開口程度となり、さらに初回の反射がどちらの鏡面により行われたかによって、左右どちらかに分かれることから、点光源Oから発せられた光は、素子面Sに対して面対称な位置を通過するときには、2面コーナーリフレクタ20の開口の2倍程度、すなわち、鏡面(21又は22)の大きさの2√2倍(2の平方根の2倍)つまり、約3倍程度に広がることになる。そして、2面コーナーリフレクタ20による再帰反射は、入射光の角度に依らずに起こり、点光源からはあらゆる方向の光の出ることから、それらの光が異なる単位光学素子2を透過し、全て同一点に集まる、すなわち焦点を結ぶことになり、上述のように基盤1上に2面コーナーリフレクタ20を備えた多数の単位光学素子2を形成することで、反射型実鏡映像結像素子Xとして機能する。すなわち、斯かる反射型実鏡映像結像素子Xの素子面S(上述の通り、基盤1の肉厚の中央部を通り各鏡面要素と直交する面を仮定し、図中に想像線で示す。)は、基盤1の一方側にある被投影物Oの実像を他方側の面対称位置に鏡映像Pとして結像させる面となる。また、単位光学素子2を透過した2回反射光は素子面Sからの距離とは無関係に面対称位置へ集束するため、3次元物体であっても歪み無しに鏡映像Pとして結像させることが可能である。ただし、この像は、鏡映像を、鏡の中に入って、その裏側から眺めた場合と等価であり、奥行きが反転することになる。   The unit optical element 2 formed on the base 1 in this way reflects light entering the hole constituting the unit optical element 2 from one surface (21 or 22) from the front side (or back side) of the base 1. In addition, the reflected light is reflected by the other mirror surface (22 or 21) and passed to the back surface side (or front surface side) of the substrate 1. FIG. 5 shows a projection of this light path on the element surface S. The double reflection of light by the two-surface corner reflector 20 is retroreflected in the element surface S, and the incident path and the emission path are parallel to each other in opposite directions. In addition, since the light component perpendicular to the element surface S is not converted at all, the light emitted from the point light source O can pass through a position that is substantially plane-symmetric with respect to the element surface S. I understand. The distance between the parallel incident path and output path in the element surface S is about the opening of the two-surface corner reflector 20, and further, it is divided into left and right depending on which mirror surface is used for the first reflection. When the light emitted from the point light source O passes through a plane symmetric with respect to the element surface S, it is about twice as large as the opening of the dihedral corner reflector 20, that is, the size of the mirror surface (21 or 22). √2 times (2 times the square root of 2) In other words, it spreads to about 3 times. The retroreflection by the two-surface corner reflector 20 occurs regardless of the angle of the incident light, and the light from all directions is emitted from the point light source. Therefore, the light passes through different unit optical elements 2 and is all the same. As a reflection type real mirror image forming element X, a large number of unit optical elements 2 having a dihedral corner reflector 20 are formed on the base 1 as described above. Function. That is, the element surface S of such a reflective real mirror image forming element X (assuming a plane that passes through the central portion of the thickness of the substrate 1 and is orthogonal to each mirror element as described above, is indicated by an imaginary line in the figure. .) Is a surface on which a real image of the projection object O on one side of the base 1 is imaged as a mirror image P at a plane symmetrical position on the other side. In addition, since the twice reflected light transmitted through the unit optical element 2 is focused on a plane-symmetrical position regardless of the distance from the element surface S, even a three-dimensional object is imaged as a mirror image P without distortion. Is possible. However, this image is equivalent to the case where the mirror image enters the mirror and is viewed from the back side, and the depth is inverted.

本実施形態では、各単位光学素子2は、一辺が例えば50〜1000μm、好ましくは本実施形態では100μmである。また基盤1は、図4に示したように、厚み寸法が50〜1000μm、例えば本実施形態では100μmの薄い平板状のものとなっている。なお、単位光学素子の1辺は鏡面21、22の幅を、基盤の厚みは鏡面21、22の高さを規定するが、本実施形態では各鏡面は幅と高さがほぼ等しい寸法となっている。   In the present embodiment, each unit optical element 2 has a side of, for example, 50 to 1000 μm, preferably 100 μm in this embodiment. As shown in FIG. 4, the substrate 1 is a thin flat plate having a thickness dimension of 50 to 1000 μm, for example, 100 μm in this embodiment. Note that one side of the unit optical element defines the width of the mirror surfaces 21 and 22, and the thickness of the base defines the height of the mirror surfaces 21 and 22. In this embodiment, each mirror surface has dimensions approximately equal in width and height. ing.

単位光学素子2の大きさは、解像度を規定することになり、図5に示したように、幾何光学的には、点光源は単位光学素子2の大きさの約2倍の大きさに広がって集光する。小さくすると、幾何光学的には小さなスポットに集光できることになるが、回折の影響を強く受けるようになり、あまり小さすぎると却って解像度は悪化する。そのため、集光する距離に応じて最適な大きさに設定する必要がある。本実施例の場合には、1〜2cm程度の距離に最適化されている。   The size of the unit optical element 2 defines the resolution. As shown in FIG. 5, the point light source spreads about twice as large as the unit optical element 2 in terms of geometric optics. And concentrate. If it is made small, it can be focused on a small spot in terms of geometric optics, but it is strongly affected by diffraction, and if it is too small, the resolution deteriorates. Therefore, it is necessary to set the optimal size according to the distance to collect light. In this embodiment, the distance is optimized to about 1 to 2 cm.

鏡面21、22の高さ、つまり本実施形態においては基盤1の厚さについては、単位光学素子2の大きさとの比が、最適観察角度を規定する。厚さが厚くなれば最適観察角度が、素子面Sに対してより垂直方向からの観察に適するようになり、薄くなればその逆となる。本実施形態の場合には1:1となっており、水平方向から30〜40度上方からの観察が最適となっている。また基盤1の巾寸法及び奥行き寸法については、結像素子Xの構造が一様であり、凸レンズあるいは凹面鏡のような光軸が存在しないことから、任意に設定することが可能である。この大きさについては、平面鏡と同様に、映す物体の大きさに応じて決定すればよい。   For the height of the mirror surfaces 21 and 22, that is, the thickness of the base 1 in this embodiment, the ratio with the size of the unit optical element 2 defines the optimum observation angle. As the thickness increases, the optimum observation angle becomes more suitable for observation from the direction perpendicular to the element surface S, and vice versa as the thickness decreases. In the case of the present embodiment, the ratio is 1: 1, and observation from 30 to 40 degrees above the horizontal direction is optimal. Further, the width dimension and depth dimension of the substrate 1 can be arbitrarily set since the structure of the imaging element X is uniform and there is no optical axis such as a convex lens or a concave mirror. About this magnitude | size, what is necessary is just to determine according to the magnitude | size of the object to image like a plane mirror.

次に、具体的な製造方法について述べる。本実施形態では、ナノ加工によって金属製の金型に整列した筒状体をまず作成し、第1内壁面及び第2内壁面に相当する側面に面粗さを50nm以下とした平滑な鏡面形成を行う。そして、先に作成した金型を用いてナノインプリント工法又は電鋳工法により反転転写し、1つの基盤1に所定ピッチで複数の穴として各単位光学素子を形成している。なお、電鋳工法により、アルミやニッケル等の金属で基盤1を形成した場合、第1内壁面及び第2内壁面は、金型の面粗さが十分小さければ、それによって自然に鏡面21,22となる。また、ナノインプリント工法を用いて、基盤1を樹脂製などとした場合には、第1内壁面及び第2内壁面には、スパッタリング等によって、鏡面コーティングを施す必要がある。   Next, a specific manufacturing method will be described. In this embodiment, a cylindrical body aligned with a metal mold by nano machining is first created, and a smooth mirror surface is formed on the side surfaces corresponding to the first inner wall surface and the second inner wall surface with a surface roughness of 50 nm or less. I do. Then, each unit optical element is formed as a plurality of holes at a predetermined pitch on one substrate 1 by reversal transfer by a nanoimprint method or an electroforming method using the previously created mold. In addition, when the base 1 is formed of a metal such as aluminum or nickel by the electroforming method, the first inner wall surface and the second inner wall surface are naturally mirror surfaces 21, if the surface roughness of the mold is sufficiently small. 22 Further, when the substrate 1 is made of resin or the like using the nanoimprint method, the first inner wall surface and the second inner wall surface need to be mirror-coated by sputtering or the like.

反射型実鏡映像結像素子Xを透過する光としては、第1内壁面及び第2内壁面の各鏡面21,22から構成される2面コーナーリフレクタ20で反射しない直接光、2面コーナーリフレクタ20の2つの鏡面21,22のうちの何れか一方に対して1回だけ反射する1回反射光、2面コーナーリフレクタ20の2つの鏡面21,22に対して各1回ずつの合計2回反射する2回反射光、2面コーナーリフレクタ20の2つの鏡面21,22及び、第3内壁面23あるいは第4内壁面24に対して合計3回以上の反射を起こす多重反射光などが存在するが、鏡映像の実像の結像に係わるのは、それらの光のうち前記2回反射光のみである。   The light transmitted through the reflection type real mirror image forming element X includes direct light that is not reflected by the two-surface corner reflector 20 constituted by the mirror surfaces 21 and 22 of the first inner wall surface and the second inner wall surface, and two-surface corner reflector. One reflected light that reflects only once on any one of the two mirror surfaces 21 and 22 of 20, a total of two times, once for each of the two mirror surfaces 21 and 22 of the two-surface corner reflector 20 There are reflected twice reflected light, two mirror surfaces 21 and 22 of the two-sided corner reflector 20, and multiple reflected light that causes reflection three times or more in total on the third inner wall surface 23 or the fourth inner wall surface 24. However, only the two-time reflected light among those lights is related to the formation of the real image of the mirror image.

なお、2回反射光以外の光は、それぞれ2回反射光とは異なる特性を有し、結像素子を反射型実鏡映像結像素子Xとして利用する上で迷光となり支障をきたす恐れがある。そこで、2回反射光以外の光に対する対策について述べる。   In addition, light other than the twice reflected light has characteristics different from the twice reflected light, and may become a stray light and hinder the use of the imaging element as the reflective real mirror image forming element X. . Therefore, a countermeasure against light other than the twice reflected light will be described.

先ず、直接光は、反射型実鏡映像結像素子Xの素子面Sに対して垂直方向における比較的狭い範囲内で観察されるため、素子面Sに対して斜め方向の角度を付けた視点から観察される鏡映像の実像に対しては、それほどの問題とはならない。   First, since direct light is observed within a relatively narrow range in the vertical direction with respect to the element surface S of the reflective real mirror image forming element X, a viewpoint with an oblique angle with respect to the element surface S. This is not a problem for the real image of the mirror image observed from above.

1回反射光の強度分布を解析すると、最大となるのは鏡面21又は22に対向する方向であり、2面コーナーリフレクタ20による結像で最大強度となる方向とは45度のずれがある。そのため、狭い範囲の視点に対しては、それほどの問題とはならないが、1回反射光は2回反射光とは異なる様式で結像しているため、視点を広げると、邪魔な像として認識されることになる。これについては、各2面コーナーリフレクタ20を素子面S内でランダムに回転させるなどの対策がある。   When analyzing the intensity distribution of the one-time reflected light, the maximum is the direction facing the mirror surface 21 or 22, and there is a shift of 45 degrees from the direction where the maximum intensity is obtained by image formation by the two-surface corner reflector 20. Therefore, this is not a problem for a narrow range of viewpoints, but once reflected light is imaged in a different manner from twice reflected light. Will be. For this, there are measures such as rotating each two-sided corner reflector 20 randomly within the element surface S.

また、3回以上の多重反射光は、対面での反射が起こることが問題となるため、上述した斜め配置を行った場合、第1内壁面及び第2内壁面に形成された鏡面21,22にそれぞれ対向する内壁面(第3内壁面23、第4内壁面24)を鏡面としないことや、平行としないことで回避ないし軽減が可能である。   In addition, since the multiple reflected light of three or more times has a problem of reflection on the opposite surface, the mirror surfaces 21 and 22 formed on the first inner wall surface and the second inner wall surface when the above-described oblique arrangement is performed. The inner wall surfaces (the third inner wall surface 23 and the fourth inner wall surface 24) that face each other can be avoided or reduced by not using a mirror surface or parallel.

本実施形態に係るディスプレイ装置Dは、図6に示すように、本体部である天板Tに水平姿勢で埋め込んだ単一又は複数の反射型実鏡映像結像素子Xを備え、基盤1の下面側の空間に表示又は配置した2次元又は3次元の物体である被投影物Oを基盤1の面方向に対して(より詳細には素子面Sに対して)面対称となる位置に結像させるものである。同図には、天板Tの下方空間に、被投影物Oとして映像表示装置の一例である液晶ディスプレイ等の表示体Hを天板Tの面方向に対してほぼ垂直姿勢に配し、表示体Hに文字(ローマ字の「A」)を表示した態様を例示している。   As shown in FIG. 6, the display device D according to the present embodiment includes one or a plurality of reflection type real mirror image forming elements X embedded in a horizontal posture on a top plate T that is a main body unit. The object to be projected O, which is a two-dimensional or three-dimensional object displayed or arranged in the space on the lower surface side, is connected to a position that is plane-symmetric with respect to the surface direction of the substrate 1 (more specifically, with respect to the element surface S). It is something to be imaged. In the figure, a display body H such as a liquid crystal display, which is an example of a video display device, is arranged as a projection object O in a substantially vertical posture with respect to the surface direction of the top board T in the space below the top board T. The form which displayed the character (the Roman letter "A") on the body H is illustrated.

次に、このディスプレイ装置Dの作用について説明する。上述したように、単位光学素子2を透過した2回反射光は面対称位置へ集束するため、深さ方向(反射型実鏡映像結像素子Xの素子面Sに垂直な方向)に対して広い範囲で焦点を結ぶことが可能となり、天板Tの下の表示体Hに表示した2次元像である被投影物Oから発せられた光が、物理的には存在しない天板T上方に直立する仮想的なディスプレイ(ファントムディスプレイ)に鏡映像Pとして結像し、その鏡映像Pを素子面Sに対して斜め方向の角度からの視点Vから観察できることとなる。なお、図7に示すように、基盤1の下面側の空間に被投影物Oとして、例えば円柱状の3次元像を配置すれば、基盤1の上面側に3次元像が浮かぶこととなる。ただし、その3次元像Pは、視線方向の凹凸が反転して、円柱の内面側が見えているかのように観察される。このような被投影物Oと像Pの凹凸の反転を回避するには、基盤1の下面側の空間に配置する3次元像の凹凸を素子面Sに対して予め逆転しておけばよい。   Next, the operation of the display device D will be described. As described above, the twice-reflected light transmitted through the unit optical element 2 is focused on a plane-symmetrical position, and therefore, with respect to the depth direction (direction perpendicular to the element surface S of the reflective real mirror image forming element X). It becomes possible to focus on a wide range, and light emitted from the projection object O, which is a two-dimensional image displayed on the display body H below the top plate T, is above the top plate T that does not physically exist. An image is formed as a mirror image P on an upright virtual display (phantom display), and the mirror image P can be observed from a viewpoint V from an oblique angle with respect to the element surface S. As shown in FIG. 7, for example, if a cylindrical three-dimensional image is arranged as the projection object O in the space on the lower surface side of the substrate 1, the three-dimensional image floats on the upper surface side of the substrate 1. However, the three-dimensional image P is observed as if the irregularities in the line-of-sight direction are reversed and the inner surface side of the cylinder is visible. In order to avoid such reversal of the unevenness of the projection object O and the image P, the unevenness of the three-dimensional image arranged in the space on the lower surface side of the substrate 1 may be reversed with respect to the element surface S in advance.

このように、本実施形態に係る結像素子、すなわち反射型実鏡像結像素子Xは、基盤1に、厚み方向に貫通し且つ直交する2つの内壁面(第1内壁面、第2内壁面)を鏡面21,22にした2面コーナーリフレクタ20を備える単位光学素子2を複数設けているため、各単位光学素子2を透過する際に直交する2つの内壁面を鏡面21,22で各1回、合計2回反射した光が、素子面S(すなわち基盤X1の面方向)に対して面対称な点を通過することにより、基盤1(素子面S)の一方側の空間に配置した被投影物O(2次元又は3次元の物体若しくは映像)を他方側の空間に歪みの無い2次元像又は3次元像の実像として結像させることができ、2次元像及び3次元像を物理的な実体が存在しない空間に移動させることが可能となる。しかも、反射型実鏡像結像素子Xを介して結像したバーチャルな3次元像又は2次元像上を手指等で触れる又はポインティングする行為が可能となり、これまでにない新規有用な利用態様を実現することができる。特に複数のマイクロレンズを利用した従来の屈折型実鏡映像結像素子と比較すると、本実施形態では、結像素子を反射型実鏡映像結像素子Xとして利用できるものであるため、被投影物Oの実像は、鏡映像Pとして素子面Sに対して斜め方向の角度から観察することができる。また、構造の単純化及びコストの削減を図ることができるとともに、薄型化が可能であるため、種々の使用態様にも柔軟に対応することができる。特に、本実施形態で適用した単位光学素子2が、基盤X1の厚み方向に貫通させてなる穴であるため、この穴に透明な気体あるいは液体などを充填し、屈折率を変化させることもできる。   As described above, the imaging element according to the present embodiment, that is, the reflective real mirror image imaging element X has two inner wall surfaces (first inner wall surface, second inner wall surface) penetrating the substrate 1 in the thickness direction and orthogonal to each other. ) Are provided with a plurality of unit optical elements 2 having two-surface corner reflectors 20 having mirror surfaces 21 and 22, so that two inner wall surfaces orthogonal to each other when passing through each unit optical element 2 are mirror surfaces 21 and 22. The light reflected twice in total passes through a point that is plane-symmetric with respect to the element surface S (that is, the surface direction of the substrate X1), so that the light is disposed in the space on one side of the substrate 1 (element surface S). Projection object O (two-dimensional or three-dimensional object or image) can be formed as a non-distorted two-dimensional image or a real image of a three-dimensional image in the other space, and the two-dimensional image and the three-dimensional image can be physically formed. It is possible to move to a space where no real entity exists. In addition, a virtual three-dimensional image or two-dimensional image imaged through the reflective real mirror image forming element X can be touched or pointed with a finger or the like, and an unprecedented and useful usage mode has been realized. can do. In particular, in this embodiment, since the imaging element can be used as the reflective real mirror image imaging element X, compared with the conventional refractive real mirror image imaging element using a plurality of microlenses, A real image of the object O can be observed as a mirror image P from an oblique angle with respect to the element surface S. Further, the structure can be simplified and the cost can be reduced, and the thickness can be reduced, so that various usage modes can be flexibly dealt with. In particular, since the unit optical element 2 applied in the present embodiment is a hole that penetrates in the thickness direction of the base X1, the refractive index can be changed by filling the hole with a transparent gas or liquid. .

なお、本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。反射型実鏡映像結像素子を構成する2面コーナーリフレクタとしては単に直交する2枚の反射面が存在すればよく、この反射面としては、光を反射する物質の鏡面精度の平坦度を持つ端面もしくは膜による反射および、屈折率の異なる透明な媒質同士の鏡面精度の平坦度を持つ境界における全反射などの現象を利用することができる。より具体的には、上述した実施形態では、反射型実鏡映像結像素子Xにおいて、薄板状の基盤1に正方形状の穴を形成し、その穴の内周壁のうち隣接する2つを鏡面21,22として2面コーナーリフレクタ20を形成した例を示したが、例えば、このような構成に変えて、図8に示すように、基盤1’の厚み方向に突出する透明な筒状体により単位光学素子2’を構成し、このような筒状体を碁盤目状に多数形成した反射型実鏡映像結像素子X’であっても構わない。この場合、各筒状体2’の内壁面のうち、直交する第1内壁面及び第2内壁面を鏡面21’,22’として2面コーナーリフレクタ20’を構成することができる。この場合、前記実施形態と同様に、2面コーナーリフレクタ20’で2回反射する光が、基盤1’の面方向すなわち素子面S’に対して面対称な点を通過することにより、所定の空間に2次元像のみならず3次元像をも結像させることができる。   In addition, this invention is not limited to embodiment mentioned above. The two-surface corner reflector constituting the reflection type real mirror image forming element only needs to have two orthogonal reflecting surfaces, and this reflecting surface has a flatness with a mirror accuracy of a material that reflects light. Phenomena such as reflection by an end face or a film and total reflection at a boundary having a flatness of mirror surface accuracy between transparent media having different refractive indexes can be used. More specifically, in the above-described embodiment, in the reflective real mirror image forming element X, a square hole is formed in the thin plate-like base 1, and two adjacent inner peripheral walls of the hole are mirror surfaces. Although the example which formed the double-sided corner reflector 20 as 21 and 22 was shown, for example, it changed into such a structure and, as shown in FIG. 8, by the transparent cylindrical body which protrudes in the thickness direction of base | substrate 1 ', The unit optical element 2 ′ may be configured, and a reflective real mirror image forming element X ′ in which a large number of such cylindrical bodies are formed in a grid pattern may be used. In this case, the two-surface corner reflector 20 ′ can be configured with the first inner wall surface and the second inner wall surface that are orthogonal among the inner wall surfaces of each cylindrical body 2 ′ as mirror surfaces 21 ′ and 22 ′. In this case, similarly to the above-described embodiment, the light reflected twice by the two-surface corner reflector 20 ′ passes through a point that is plane-symmetric with respect to the surface direction of the substrate 1 ′, that is, the element surface S ′. It is possible to form not only a two-dimensional image but also a three-dimensional image in the space.

なお、筒状体の鏡面21’,22’以外の第3内壁面23’及び第4内壁面24’を鏡面としないか、もしくは素子面Sに対して垂直以外の角度をつけることにより、余分な反射をなくして、より鮮明な像を得ることができる。また、2面コーナーリフレクタ20’を構成する2つの鏡面21’,22’は全反射を利用することもできるし、反射膜による反射を利用することも可能である。特に、鏡面21’,22’の全反射を利用する場合、全反射には臨界角が存在するため、多重反射は起こりにくくなることが期待できる。さらに、鏡面を形成すべき筒状体の2つの面に金属反射膜を付け、筒状体同士を接着することも可能である。この場合、鏡面以外の面への非鏡面化等の多重反射対策は必要であるが、開口率が高くなり、透過率が高い反射型実鏡映像結像素子を得ることができる。   The third inner wall surface 23 ′ and the fourth inner wall surface 24 ′ other than the mirror surfaces 21 ′ and 22 ′ of the cylindrical body are not mirror surfaces, or are provided with an angle other than perpendicular to the element surface S. It is possible to obtain a clearer image without excessive reflection. The two mirror surfaces 21 ′ and 22 ′ constituting the two-surface corner reflector 20 ′ can use total reflection or can use reflection by a reflection film. In particular, when the total reflection of the mirror surfaces 21 ′ and 22 ′ is used, it is expected that multiple reflections are unlikely to occur because there is a critical angle in total reflection. Furthermore, it is also possible to attach a metal reflection film to two surfaces of a cylindrical body on which a mirror surface is to be formed, and bond the cylindrical bodies to each other. In this case, it is necessary to take measures against multiple reflection such as non-specularization on a surface other than the mirror surface, but it is possible to obtain a reflection type real mirror image forming element having a high aperture ratio and a high transmittance.

その他、2面コーナーリフレクタを構成する2つの鏡面は、直交する2枚の反射面さえ形成できれば相互に接触させずに相互に間隙を空けて配置されていてもよく、さらに上述した穴や筒状体において2面コーナーリフレクタを構成する鏡面として機能する2つの面と他の面同士の角度については特に制約はない。単位光学素子として、平面形状が矩形状以外の多角形状のもの、三角形のもの、或いは2つの鏡面の反交点側の端部同士を接続する面が平面視ほぼ部分円弧状のものを適用しても構わない。なお、単位光学素子の平面形状を直角三角形とした場合には、単位光学素子として直角プリズムを利用することを意味する。   In addition, the two mirror surfaces constituting the two-surface corner reflector may be arranged with a gap between each other without contacting each other as long as two orthogonal reflecting surfaces can be formed. There are no particular restrictions on the angle between the two surfaces that function as mirror surfaces constituting the two-surface corner reflector in the body and the other surfaces. As the unit optical element, a plane shape having a polygonal shape other than a rectangular shape, a triangular shape, or a surface connecting the ends of the two mirror surfaces opposite to each other at an intersection is substantially a partial arc shape in plan view. It doesn't matter. When the planar shape of the unit optical element is a right triangle, it means that a right angle prism is used as the unit optical element.

さらに、種々の使用態様に対応させて、結像素子(反射型実鏡映像結像素子を含む)の形状や大きさ、基盤の厚み寸法や平面形状や素材等を適宜変更してもよい。   Furthermore, the shape and size of the imaging element (including the reflective real mirror image imaging element), the thickness dimension of the base, the planar shape, the material, and the like may be changed as appropriate in accordance with various usage modes.

その他、各部の具体的構成についても上記実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。   In addition, the specific configuration of each part is not limited to the above embodiment, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention.

本発明の結像素子(反射型実鏡像結像素子を含む)は、素子面の一方側に配置した被投影物を他方側の物理的実体のない空間に実像として視線方向の奥行き方向を反転して結像させるという、新たな結像作用を有する光学素子であるため、ディスプレイ等の映像表示装置や、展示物等の観察装置として利用することができるものである。   The imaging element of the present invention (including the reflective real mirror image imaging element) inverts the depth direction in the line-of-sight direction as a real image of a projection object placed on one side of the element surface in a space without a physical entity on the other side. Since the optical element has a new imaging action of forming an image, it can be used as an image display device such as a display or an observation device such as an exhibit.

Claims (20)

1つの平面を構成する素子面を光が透過する際に光線の屈曲を生じさせる光学素子であって、
前記素子面に垂直もしくはそれに近い角度で配置された相互に略垂直となる2つの鏡面による光の反射を行う2面コーナーリフレクタとして機能する単位光学素子を複数配置し、前記素子面を挟んで一方側の空間における任意の位置に配置された被投影物から発した前記光線が前記各単位光学素子を通過するに、各単位光学素子におけるそれぞれ2つの鏡面において1回ずつ合計2回反射することによって前記素子面に対して前記被投影物の面対称位置に前記被投影物の像を結像するように構成し、前記素子面に対して斜め方向の角度を付けた視点から前記結像した2回反射による像を観察し得るようにしたことを特徴とする結像素子。
An optical element that causes bending of a light beam when light is transmitted through an element surface constituting one plane,
The unit optical element that functions as a dihedral corner reflector that performs reflection of light by the two mirror surfaces to be substantially perpendicular to each other which are arranged in a vertical or an angle close thereto on the element surface and a plurality placed, whereas across the element surface when the light beam emitted from the object to be projected, which is located at any position in space of the side passes through the respective unit optical elements, once in each of the two mirror in each unit optical element, it reflects a total of two Accordingly, an image of the projection object is formed at a plane-symmetrical position of the projection object with respect to the element surface, and the imaging is performed from a viewpoint at an oblique angle with respect to the element surface. An imaging element characterized in that an image caused by twice reflection can be observed .
前記2面コーナーリフレクタを、素子面上において複数方向を向けて配置している請求項1に記載の結像素子。The imaging element according to claim 1, wherein the two-surface corner reflector is arranged in a plurality of directions on the element surface . 前記2面コーナーリフレクタを、素子面上において同一方向を向けて配置している請求項1に記載の結像素子。The imaging element according to claim 1 , wherein the two-surface corner reflectors are arranged in the same direction on the element surface . 前記単位光学素子は、前記素子面を貫通する方向に想定される光学的な穴の内壁を前記鏡面として利用するものである請求項1乃至3の何れかに記載の結像素子。The imaging element according to claim 1, wherein the unit optical element uses an inner wall of an optical hole assumed in a direction penetrating the element surface as the mirror surface . 前記単位光学素子は、前記光学的な穴を相互に独立させることなく連結させたものである請求項4に記載の結像素子。 5. The imaging element according to claim 4, wherein the unit optical element is formed by connecting the optical holes without being independent of each other . 所定の空間を区画する基盤を具備し、当該基盤を通る1つの平面を前記素子面としてとして規定し、前記単位光学素子は、前記素子面を貫通する方向に想定される前記光学的な穴として、前記基盤に形成された穴の内壁を前記鏡面として利用するものである請求項4又は5に記載の結像素子。 A base that divides a predetermined space is provided, and one plane passing through the base is defined as the element surface, and the unit optical element is an optical hole assumed in a direction penetrating the element surface. 6. The imaging element according to claim 4, wherein an inner wall of a hole formed in the base is used as the mirror surface . 前記単位光学素子は、基盤に形成された穴を透明な気体もしくは液体で満たしたものである請求項6に記載の結像素子。The imaging unit according to claim 6 , wherein the unit optical element has a hole formed in a base filled with a transparent gas or liquid . 前記単位光学素子は、前記素子面を貫通する方向に想定される光学的な穴として、透明な固体により構成される筒状体を利用するものである請求項4乃至6の何れかに記載の結像素子。 The said unit optical element utilizes the cylindrical body comprised by transparent solid as an optical hole assumed in the direction which penetrates the said element surface . Imaging element. 前記単位光学素子は、前記筒状体を相互に密着させたものである請求項8に記載の結像素子。The image forming element according to claim 8, wherein the unit optical element is formed by bringing the cylindrical bodies into close contact with each other . 前記光学的な穴は、立方体もしくは直方体形状をなすものである請求項4乃至9の何れかに記載の結像素子。The imaging element according to claim 4, wherein the optical hole has a cubic or rectangular parallelepiped shape . 前記光学的な穴における4つの内壁の表面全てを鏡面としている請求項10に記載の結像素子。The imaging element according to claim 10 , wherein all four inner wall surfaces of the optical hole are mirror surfaces . 前記光学的な穴の内壁に相互に直交する2つの鏡面を形成し、当該内壁における前記直交する2鏡面以外の面を、前記素子面と垂直とならないように設けている請求項4乃至9の何れかに記載の結像素子。 The two mirror surfaces orthogonal to each other are formed on the inner wall of the optical hole, and surfaces other than the two orthogonal mirror surfaces on the inner wall are provided so as not to be perpendicular to the element surface . The imaging element according to any one of the above. 前記光学的な穴の内壁に相互に直交する2つの鏡面を形成し、当該内壁における前記直交する2鏡面以外の面を、非鏡面としている請求項4乃至12の何れかに記載の結像素子。The imaging element according to claim 4, wherein two mirror surfaces orthogonal to each other are formed on an inner wall of the optical hole, and a surface other than the two mirror surfaces orthogonal to each other on the inner wall is a non-mirror surface. . 前記複数の単位光学素子を、前記素子面上において規則的な格子状に配置している請求項1乃至14の何れかに記載の結像素子。The imaging element according to claim 1, wherein the plurality of unit optical elements are arranged in a regular lattice shape on the element surface . 前記単位光学素子における鏡面は、光沢のある物質によって形成された平坦面での反射を利用するものである請求項1乃至14の何れかに記載の結像素子。The imaging element according to claim 1, wherein the mirror surface of the unit optical element uses reflection on a flat surface formed by a glossy substance . 前記単位光学素子における鏡面は、異なる屈折率を持つ透明媒質同士の平坦な境界における反射もしくは全反射を利用するものである請求項1乃至15の何れかに記載の結像素子。 16. The imaging element according to claim 1, wherein the mirror surface of the unit optical element uses reflection or total reflection at a flat boundary between transparent media having different refractive indexes . 前記単位光学素子における鏡面は、平行に配置される複数の単位鏡面により構成される請求項1乃至16の何れかに記載の結像素子。The imaging element according to any one of claims 1 to 16, wherein the mirror surface of the unit optical element includes a plurality of unit mirror surfaces arranged in parallel . 請求項1乃至17の何れかに記載の結像素子を具備する本体部と、当該本体部の裏面側における任意の位置に配される被投影物とを備え、前記被投影物から発せられる光を前記結像素子を透過させることで、前記本体部の表面側の空間に前記被投影物の実像を結像させて投影するように構成していることを特徴とするディスプレイ装置。A light emitted from the projection, comprising: a main body including the imaging element according to any one of claims 1 to 17; and a projection disposed at an arbitrary position on the back side of the main body. The display device is configured such that a real image of the object to be projected is formed and projected in a space on the surface side of the main body by transmitting the light through the imaging element. 前記被投影物は、予め前記実像を観察する視線方向の奥行きを反転させた3次元物体又は映像表示装置に表示される3次元映像である請求項18に記載のディスプレイ装置。The display device according to claim 18, wherein the projection object is a three-dimensional image displayed on a three-dimensional object or an image display device in which a depth in a line-of-sight direction in which the real image is observed is inverted in advance. 前記被投影物は、自動的又は外力により動作する物体であり、当該物体の実像として前記本体部の表面側の空間に動きのある空中映像を投影する請求項18又は19に記載のディスプレイ装置。The display device according to claim 18, wherein the projection object is an object that operates automatically or by an external force, and projects an aerial image with movement in a space on the surface side of the main body as a real image of the object.
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